[논문]발전기 폐열 이용 소형 해수담수화장치 개발

박창대; 임병주

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.6.607

발전기 폐열 이용 소형 해수담수화장치 개발
Development of Seawater Distiller utilizing Waste Heat of Portable Electric Generators 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.6 = no.297, 2010년, pp.607 - 613

박창대 (한국기계연구원 그린환경에너지기계연구본부) , 임병주 (한국기계연구원 그린환경에너지기계연구본부)

초록
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도서지역에서 많이 사용하고 있는 소형 발전기의 폐열을 열원으로 이용하는 소용량 자급형 해수담수화장치의 설계 자료와 성능실험 결과를 제시하였다. 제안된 담수기는 조밀간격 수직형 평행평판이 복수단으로 구성된 다중효용방식으로서, 해수가 흐르는 윅(wick)이 부착되어 있다. 복수단의 평판에서 증발과 응축과정이 반복적으로 일어나므로 열에너지를 재이용하게 되어 담수생산량을 증가시킨다. 제안된 담수기의 성능실험 결과 5.6 kVA 발전기의 폐열이 담수화의 증발열원으로 사용될 수 있음을 알 수 있었고, 1중 효용만으로 최소 6.7 kg/day의 담수를 생산할 수 있었다. 이 결과는 10중 효용의 경우 약 35~44 kg/day를 기대할 수 있는 양으로서, 동일 전열면적의 태양열 증류기의 일일 최대 생산량보다 약 16~4배 많은 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A seawater distiller, in which the waste heat from a portable electric generator was used, with a multiple-effect diffusion still was designed. The waste gas from small generators commonly used in islands has not yet been used because it has less thermal energy; however, this waste gas can be used as a heat source for small-capacity distillers and as an additional heat source for solar stills. The proposed distiller comprises a series of closely spaced parallel partitions that are placed in contact with saline-soaked wicks. In the distiller, evaporation and condensation processes are repeated to recycle the thermal energy for increasing the distillate productivity. Experimental results show that the proposed distiller with only one-effect still can produce at least 6.7 kg/day of distilled water; the proposed distiller with a ten-effect still is expected to produce 43 kg/day of distilled water. This amount of distillate is approximately four times the maximum daily productivity of the solar stills, as determined in outdoor experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 도서지역, 오지 및 저개발지역 등에서 사용할 수 있는 담수화 기술로서 발전기의 폐열을 열원으로 해수 및 오염수를 담수화시키는 소용량 다중효용 증발식 담수화장치의 설계기술을 제안하고 성능실험을 통하여 적용 가능성을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 도서지역에서 많이 이용하고 있는 발전기의 배기가스 폐열을 열원으로 하고 조밀 간격 평행 단(partition)으로 구성된 다중효용 증발식 담수화 장치를 대상으로 설계를 수행하였다. 다중효용법에서 일반적으로 채용하는 감압장치는 도서지역의 특성상 구조의 단순화를 위하여 생략하였으므로 상압에서 운전되는 구조이다.

가설 설정

최대 효용단수는 고온열원과 공급 해수의 온도차 및 각 효용에서 열전달에 필요한 유효 온도차에 의하여 결정할 수 있는데, 일반적으로 13효용 이하를 채택하고 있다. (1) 고온열원의 열량이 결정 되면 열정산을 통하여 최적 효용수를 결정한다.
발전기의 배기가스 온도와 유량은 발전기의 용량 및 운전 조건에 따라 달라지며 증발의 최초 열원으로 시스템 성능에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 국내에서 시판되는 가정용 발전기의 일반적인 용량을 고려하여 배기가스의 온도와 유량을 Table 1과 같이 가정하여 설계를 수행하였다.

제안 방법

Tanaka 등 (4)은 이 최소 단 사이 간격을 약 3 mm로 제시하고 있다. 단의 변형을 최소화하여 단사이 간격을 최소화하기 위하여 증류부는 수직형으로 설계하였다.
도서지역, 오지, 저개발지역 등에서 많이 사용하고 있는 가정용 발전기의 폐열을 열원으로 이용하는 다중효용 소형 해수담수화장치를 설계 및 제작하여 성능실험을 수행하였다. 1단 효용에 대한 실험 결과, 발전기를 가동한 후 약 25분에서 응축면 하부에서부터 응축이 생성되기 시작하여 실험 시작 약 60분후 응축면 전체에 걸쳐 응축수가 생산되었다.
따라서, 본 연구에서 제시하는 수직형 다중효용 담수화장치의 설계에는 열원으로 사용하는 발전기의 배기가스의 온도와 유량, 공급 해수의 유량과 온도, 효용단수, 효용단 사이의 간격, 윅의 재질, 담수집수부, 증발챔버 및 열교환배관 크기 등을 고려하여야 한다. 또한 도서지역 및 오지의 지리적 특성상 소용량(50 ton/day 미만), 운전/보수 인력 및 운영비의 부족, 에너지원 수급의 어려움 및 비용 고가 등이 있으므로 설계시 장치 구조의 단순화 및 스케일 방지 기술 등을 추가적으로 고려하여야 한다.
증발챔버는 내부에 물이 채워진 밀폐용기로서 발전기로부터의 배기가스가 물속에 잠겨져 있는 열교환 배관을 따라 흐르면서 물과 열교환을 하여 담수화에 필요한 증발 열원을 공급하는 역할을 한다. 본 실험에서는 열교환 배관의 길이, 열교환 면적 및 배기가스 유량을 변화시켜가며 실험할 수 잇도록 발전기로부터의 배기가스를 2 m 길이의 단일 배관 또는 두 개의 배관으로 분기시킬 수 있도록 장치를 구성하였다. 또한 증발된 증기가 응축되면서 벽을 통과하여 전열되어 반대벽을 타고 흐르는 해수를 가열할 수 있도록 되어 있다.
여기에서 모세관의 길이 lc와 내경 dc이 결정되면 윅으로의 해수 공급 유량은 해수분배기(distributor)의 높이만으로 정밀한 조절이 가능하다. 본 연구에서는 윅의 건조부분이 나타나지 않는 유량 범위 내에서 해수를 공급하였다.
실험은 증발챔버내에 19.42 kg의 물을 채우고 1단 효용, 5 mm 단 간격의 담수화장치에 대하여 발전기 가동부터 3시간 동안 수행하면서 생산되는 담수량 등을 측정하였다.
의 관계로부터 시간에 따른 증발챔버 내부의 수온 변화와 배기가스의 온도 변화를 계산할 수 있다. 주어진 배기가스의 열량에서 물의 증발에 필요한 증발챔버내의 배관직경과 길이를 결정하였다.
또한 증발된 증기가 응축되면서 벽을 통과하여 전열되어 반대벽을 타고 흐르는 해수를 가열할 수 있도록 되어 있다. 증발챔버 내부 벽면의 온도를 측정하기 위하여 9개의 T-type 열전대를 부착하였다. 사용된 열교환 배관은 발전기의 배기관의 내경 d=23 mm과 유사하게 하여 압력손실을 최소화하였다.

대상 데이터

이것은 윅의 하부로 배출되는 농축해수와 응축수가 가지는 엔탈피가 윅에서 보유하는 엔탈피보다 더 크기 때문이다. (2) 따라서 본 연구에서는 해수 및 강판과의 표면장력과 모세관력을 고려하여 윅의 재질은 Cotton flannel을 사용하였다.
1에 도시한 다중효용 증류기로서 증발챔버, 해수공급장치, 증류부 및 가정용 발전기 등으로 주로 구성되어 있다. 사용된 발전기(HONDA SG6500DX)는 국내에서 시판되는 가정용 발전기 중 중급 용량으로, 담수화에 필요한 폐열의 적정한 열량을 확보할 수 있고, 2장의 계산조건과 유사한 용량을 보이는 정격 교류전력 5.6 kVA, 실린더 용적 337 cc, 회전수 3600 rpm을 갖는 4행정 엔진으로 선정하였다. 증발챔버는 내부에 물이 채워진 밀폐용기로서 발전기로부터의 배기가스가 물속에 잠겨져 있는 열교환 배관을 따라 흐르면서 물과 열교환을 하여 담수화에 필요한 증발 열원을 공급하는 역할을 한다.
실험장치는 Fig. 1에 도시한 다중효용 증류기로서 증발챔버, 해수공급장치, 증류부 및 가정용 발전기 등으로 주로 구성되어 있다. 사용된 발전기(HONDA SG6500DX)는 국내에서 시판되는 가정용 발전기 중 중급 용량으로, 담수화에 필요한 폐열의 적정한 열량을 확보할 수 있고, 2장의 계산조건과 유사한 용량을 보이는 정격 교류전력 5.

성능/효과

67 cm³/min)이다. 따라서 1단 효용까지의 열효율¹⁾은 24.1 %이고, 에너지 회수율²⁾은 39.6 %로 나타났다.
증발챔버의 입구에서 250℃로 들어간 배기가스는 시간에 따라 출구온도가 점점 상승하여 증발온도에 이르는 시간 (46분)에서의 출구온도는 약 116℃로 배출됨을 알 수 있다. 따라서 Table 1에 제시한 발전기와 증발챔버의 설계조건에서 증발에 소요되는 시간이 약 45분 이하로서 가정용 발전기의 폐열을 이용하여 담수화의 열원으로 사용가능함을 확인할 수 있었다.
0℃)보다 낮게 나타났다. 따라서, 1단 효용에서의 증발온도는 다중효용방식에서 스케일 발생을 억제할 수 있는 80℃ 이하를 증발면 전체에 걸쳐 유지할 수 있었다.
3은 증발챔버 내에서 열교환 하는 배관의 직경이 d=10 mm와 d=23 mm의 경우 배관 길이를 각각 l=2 m와 4 m (2×2 m)로 가정했을 때, 증발챔버 내의 물의 온도변화를 보여주고 있다. 발전기의 정상상태 운전 후 증발챔버 내의 물의 온도는 꾸준히 상승하여 약 10 kg의 물의 온도가 20℃에서 100℃에 도달하는데 걸리는 시간은 d=10 mm와 l=2 m 경우 약 56분이고, d=10 mm와 l=4 m 경우 46분으로 배관길이가 2배로 늘어나면 증발에 필요한 시간이 약 18 % 감소됨을 알 수 있다. 그러나 열교환 배관의 길이가 동일할 경우 배관 직경 d가 2배 이상 증가함에도 온도 상승에 필요한 시간은 거의 차이가 없음을 알 수 있다.
이것은 4인 가족 기준 최소 2가구 이상에 공급할 수 있는 식수량에 해당하고, 태양열을 이용하는 소형 해수담수화 장치의 실증 실험에서 얻은 결과 (2.75 kg/m 2·day)(5)보다 훨씬 작은 소요면적과 설치 비용으로 약 16 ~ 4배 이상 많은 양의 담수를 생산할 수 있음을 확인하였다.
이상의 기본 설계 조건(Table 1)들을 고려하여 Fig. 2와 같이 증발챔버 내부의 열교환 배관내의 열정산을 아래와 같이 계산하여 발전기 폐열의 담수화 열원으로의 적용 가능성을 확인하였다. 길이 △L의 검사체적에 대하여 배기가스가 잃는 열량은

후속연구

따라서, 본 기술은 대용량 해수담수화 플랜트의 설치나 운영이 용이하지 않은 지역에서 고비용의 연료 에너지를 소비하는 기존의 담수장치를 대신하여 소용량 분산형 해수담수기로 사용할 수 있으며, 태양열 등 다른 열원을 이용한 하이브리드 담수화장치의 추가 열원으로 사용될 수 있음을 보여준다. 또한 발전소 폐열 등 다량의 열원이 확보되면 대용량 해수담수화 설비로의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
따라서, 본 연구에서 제시하는 수직형 다중효용 담수화장치의 설계에는 열원으로 사용하는 발전기의 배기가스의 온도와 유량, 공급 해수의 유량과 온도, 효용단수, 효용단 사이의 간격, 윅의 재질, 담수집수부, 증발챔버 및 열교환배관 크기 등을 고려하여야 한다. 또한 도서지역 및 오지의 지리적 특성상 소용량(50 ton/day 미만), 운전/보수 인력 및 운영비의 부족, 에너지원 수급의 어려움 및 비용 고가 등이 있으므로 설계시 장치 구조의 단순화 및 스케일 방지 기술 등을 추가적으로 고려하여야 한다.
따라서, 본 기술은 대용량 해수담수화 플랜트의 설치나 운영이 용이하지 않은 지역에서 고비용의 연료 에너지를 소비하는 기존의 담수장치를 대신하여 소용량 분산형 해수담수기로 사용할 수 있으며, 태양열 등 다른 열원을 이용한 하이브리드 담수화장치의 추가 열원으로 사용될 수 있음을 보여준다. 또한 발전소 폐열 등 다량의 열원이 확보되면 대용량 해수담수화 설비로의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서 개발한 담수화장치의 최적 운전과 추가적인 성능 향상을 통하여 상용화를 위해서는 효용 단수에 따른 생산량 변화 실증, 유입 해수 온도를 배기 열회수로 예열시킬 때 생산수 변화, 최적 해수 공급유량에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가정용 발전기의 폐열을 열원으로 이용하는 다중효용 소형 해수담수화장치의 활용방안은?	따라서, 본 기술은 대용량 해수담수화 플랜트의 설치나 운영이 용이하지 않은 지역에서 고비용의 연료 에너지를 소비하는 기존의 담수장치를 대신하여 소용량 분산형 해수담수기로 사용할 수 있으며, 태양열 등 다른 열원을 이용한 하이브리드 담수화장치의 추가 열원으로 사용될 수 있음을 보여준다. 또한 발전소 폐열 등 다량의 열원이 확보되면 대용량 해수담수화 설비로의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
	세계은행 보고에 의하면 물부족에 위협받고 있는 나라와 인구는 어느정도인가?	21세기에 접어들면서 물부족으로 인한 분쟁이 세계도처에서 빈번히 발생될 것으로 여러 전문가들은 예측하고 있다. 세계은행 보고에 의하면 물부족으로 국민건강과 경제가 위협받고 있는 나라가 80개국에 이르며 세계인구의 40%인 20억 인구가 물부족을 겪고 있다고 한다. 이러한 전 지구적 당면 현안인 대체 수자원 확보 문제를 해결하기 위한 기술의 일환으로 해수담수화에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
	해수담수화란 무엇인가?	이러한 전 지구적 당면 현안인 대체 수자원 확보 문제를 해결하기 위한 기술의 일환으로 해수담수화에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 해수담수화는 해수 중에 녹아있는 약 3.5%(35,000 ppm TDS)의 염분 및 이물질을 제거하여 이용가능한 담수를 생산하는 것이다.

참고문헌 (5)

Park, S. J. and Kim, J. Y., 1998, "Research Summary of Seawater Desalination Apparatus for Remote Island," Machinery and Materials, Vol. 10, No.1, pp. 61-76.
Nosoko, T., Kinjo, T. and Park, C. D., 2005, "Theoretical Analysis of a Multiple-Effect Diffusion Still Producing Highly Concentrated Seawater," Desalination, Vol. 180, pp. 33-45.

상세보기
Tanaka, H., Nosoko, T. and Nagata, T., 2002, "Experimental Study of Basin-Type, Multiple-Effect, Diffusion-Coupled Solar Still," Desalination, Vol. 150, pp. 131-144.

상세보기
Tanaka, H., Nakatake, Y. and Watanabe, K., 2004, "Parametric Study on a Vertical Multiple- Effect Diffusion-Type Solar Still Coupled with a Heat-Pipe Solar Collector," Desalination, Vol. 171, pp. 243-255.

상세보기
Kwak, H. Y., Yoon, E. S., Joo, M. C. and Joo, H. J., 2009, "Operating Performance of Desalination System with Solar Energy," Korean Solar Energy Society Spring Conference, pp. 250-255.

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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